Appelée Galaxie (de gala = lait) par les Grecs, via Lacta par les Romains, elle devait son origine, d'après la mythologie romaine, à quelques gouttes de lait qu'Hercule, à qui Junon, apaisée par Minerve, avait consenti à donner le sein, en fit jaillir en la mordant. D'autres poètes font de la Voie lactée le sillage enflammé laissé par Phaéton dans sa course désordonnée à travers le ciel sur le char du Soleil, ou encore, comme Ovide, le chemin des Dieux, la voie de l'Immortalité, qui conduisait les héros au palais de Jupiter. Les Arabes lui donnaient le nom de fleuve céleste.

D'après une croyance constatée dans un grand nombre de pays, en France et en Wallonie, la Voie lactée est un chemin; comme le remarque Sébillot, des idées qui souvent touchent à la religion ou à la mythologie sont en relation avec cette partie du ciel. Son nom le plus commun dans l'Europe catholique est celui de « Chemin de Saint-Jacques », que l'on retrouve un peu partout avec la forme de langage particulière à chaque pays : dans la Flandre française c'est le « Kemin saint Jacques », li Voi sin Djâk' en Wallonie, Camin de Sant Jaque dans le Midi, Cami de San Tsaquès en Quercy, Camin de San Giachimo à Menton, le « Pas de saint Jacques » à Guernesey, le Tsemein de Sein Dzâquet dans la Tarentaise, le Hent sant Jakez en Basse-Bretagne. Dans le Morbihan, son nom de « Chemin d'Espagne » fait aussi allusion au pèlerinage de Saint-Jacques en Galice.

On avait cru dans l'Antiquité, que la voie lactée est la route des âmes qui quittent le monde; dans les légendes du Moyen âge, le chemin de Saint-Jacques fut aussi regardé comme la voie de l'éternité. C'est à cette conception que se rattachent les noms de : la Vallée de Josaphat en Ille-et-Vilaine, Traonienn Josafat, en Basse-Bretagne, où on l'appelle aussi Hent gwenn ann env, le Chemin blanc du ciel, et Hent gwenn, le chemin blanc; en Hainant, c'est le chemin dou diâl, chemin du diable. Le nom de li Tchâssèy romin-n, la chaussée romaine, qu'elle porte en Wallonie, est expliqué par une légende; le diable, ayant entrepris de la faire en une nuit, fut interrompu

Les présomptions des astronomes touchant sa véritable constitution sont longtemps, du reste, demeurées des plus vagues. Aristote la regardait encore comme un météore, une sorte d'exhalaison dans la haute atmosphère terrestre. Pourtant Démocrite, qui vivait quatre siècles avant notre ère, enseignait qu'elle devait être un amas d'étoiles trop petites et trop pressées pour pouvoir être discernées.

Il faut attendre le début du XVII^e siècle et l'invention d'un nouvel instrument pour percer ce premier voile de mystère. Galilée, tournant sa lunette astronomique vers le ciel, pointe notamment cet instrument vers la Voie Lactée. Il ne voit pas une brume continue, mais une multitude d'étoiles, si nombreuses et si rapprochées que leur lumière se fond pour l'œil nu. Il confirme ainsi l'intuition lointaine de Démocrite : la Voie Lactée n'est pas une vapeur, mais une collection d'étoiles.

Au XVIII^e siècle, William Herschel s'attaque de manière plus systématique à la structure de ce vaste système d'étoiles. Avec sa soeur Caroline, il entreprend un travail colossal de cartographie stellaire, ce qu'il appelle le star gauging (jaugeage stellaire). Il compte le nombre d'étoiles visibles dans différentes directions du ciel, partant du principe que plus il y a d'étoiles dans une direction, plus le système stellaire s'étend loin dans cette direction. Ses observations le conduisent à une conclusion audacieuse : la Voie Lactée n'est pas une distribution aléatoire d'étoiles, mais un système organisé, aplati, en forme de disque ou de meule de moulin. Dans son modèle, il place le Soleil près du centre de ce disque, pensant que les étoiles se répartissent plus ou moins uniformément. C'est la première tentative scientifique de définir la forme de notre galaxie et notre place en son sein. Herschel observe également des nébuleuses, des objets flous, et croit la plupart du temps qu'elles sont des amas d'étoiles ou des nuages gazeux situés à l'intérieur de ce même système galactique.

Le XIX^e siècle voit l'amélioration des télescopes, l'essor de la photographie astronomique qui permet d'enregistrer la lumière faible sur de longues périodes et d'étudier des objets plus lointains ou moins lumineux, ainsi que le développement de la spectroscopie, qui révèle la composition chimique et le mouvement des étoiles et des nébuleuses. Lord Rosse, avec son grand télescope en Irlande, résout la structure spirale de certaines nébuleuses (comme M51), relançant le débat sur leur nature : sont-elles des systèmes stellaires distincts, des "univers-îles" très lointains, ou des phénomènes internes à notre propre galaxie? L'opinion penche majoritairement pour la seconde option à l'époque, notre galaxie étant souvent perçue comme l'univers dans sa totalité.

Au début du XX^e siècle, l'étude de la Voie Lactée progresse grâce à des analyses plus poussées du mouvement des étoiles (mouvements propres) et des comptages stellaires plus sophistiqués. Jacobus Kapteyn affine le modèle d'Herschel. Basé sur d'énormes quantités de données sur les positions, les magnitudes et les mouvements propres des étoiles, Kapteyn propose son propre modèle du Kapteyn Universe. Il le décrit comme un ellipsoïde aplati, d'un diamètre d'environ 30 000 années-lumière, avec la densité d'étoiles diminuant à mesure que l'on s'éloigne du centre. Lui aussi place le Soleil près du centre de ce système. Il identifie des courants stellaires, suggérant une dynamique plus complexe que celle d'une simple distribution statique.

Cependant, un autre astronome, Harlow Shapley, travaille sur une autre approche. Il étudie les amas globulaires, ces collections denses de centaines de milliers d'étoiles. Utilisant des étoiles variables céphéides, dont la luminosité intrinsèque est liée à leur période de variation (une relation découverte par Henrietta Leavitt), il peut déterminer les distances de ces amas. Shapley fait une découverte cruciale : les amas globulaires ne sont pas répartis uniformément dans le ciel, mais forment une sorte de halo sphérique centré loin de la position du Soleil. Il postule que le centre de cette distribution d'amas globulaires correspond au véritable centre de la galaxie. Ses calculs le conduisent à une image radicalement différente de la nôtre : la Voie Lactée est un système beaucoup, beaucoup plus grand que ne le pensait Kapteyn (il estime son diamètre à environ 100 000 années-lumière, une valeur remarquablement proche de l'estimation moderne), et le Soleil est situé très loin du centre, dans la périphérie.

Le modèle de Shapley s'oppose en partie à celui de Heber Curtis lors du célèbre "Grand Débat", Curtis arguant pour une Voie Lactée plus petite avec le Soleil plus proche du centre, et surtout, considérant les nébuleuses spirales (comme la galaxie d'Andromède) comme d'autres "univers-îles" distincts de notre Galaxie, une idée que Shapley rejette alors, les plaçant à l'intérieur de la Voie Lactée. Bien que Curtis ait raison sur la nature extragalactique des nébuleuses spirales (ce qui sera prouvé plus tard par Hubble), Shapley impose l'idée de la taille considérable de notre propre Galaxie et de la position excentrée du Soleil.

Dans les années 1920, Jan Oort et Bertil Lindblad, en étudiant les mouvements propres des étoiles dans le voisinage solaire, découvrent que la Galaxie tourne sur elle-même, et de manière différentielle : les étoiles plus proches du centre tournent plus vite (angulairement) que celles plus éloignées, comme un disque en rotation mais pas en bloc solide. Cette rotation galactique explique les modèles de mouvements stellaires observés et confirme l'idée d'un centre dynamique loin du Soleil. Simultanément, Robert Trumpler, en étudiant la taille et la luminosité des amas ouverts, démontre l'existence de la poussière interstellaire. Cette poussière absorbe et diffuse la lumière des étoiles lointaines, les faisant apparaître plus faibles et leurs distances estimées par des méthodes optiques s'en trouvent faussées, souvent sous-estimées si l'on ne tient pas compte de l'extinction. La découverte de la poussière est cruciale car elle explique notamment pourquoi notre vue optique de la Galaxie est limitée aux régions relativement proches et non obscurcies par la poussière du plan galactique. Les astronomes réalisent qu'ils ne voient qu'une fraction de la Galaxie dans la lumière visible.

Les années 1930 voient l'affinement des modèles de rotation galactique basés sur les observations optiques, mais la structure d'ensemble reste difficile à saisir à cause de la poussière. La véritable révolution arrive avec l'essor de la radioastronomie après la Seconde Guerre Mondiale. Karl Jansky, dès le début des années 1930, avait déjà détecté des ondes radio provenant de la direction du centre galactique, le premier signal radio cosmique identifié. Grote Reber construit le premier radiotélescope parabolique dédié. Mais le tournant majeur se produit en 1951 avec la détection de la raie d'émission à 21 centimètres de longueur d'onde, émise par l'hydrogène atomique neutre (HI), dont l'existence avait été prédite par Hendrik van de Hulst en 1944. Cette raie est d'une importance capitale car les ondes radio de cette longueur d'onde traversent la poussière interstellaire sans être significativement absorbées.

À partir des années 1950, les astronomes radio, menés par des figures comme Jan Oort, Frank Kerr et Gart Westerhout, utilisent la raie de 21 cm pour cartographier la distribution et la cinématique de l'hydrogène neutre à travers toute la Galaxie. En mesurant le décalage Doppler de la raie de 21 cm, ils peuvent déterminer la vitesse radiale des nuages de gaz et, grâce aux modèles de rotation galactique, estimer leur distance et leur position. Ces cartes radio révèlent pour la première fois de manière claire et étendue la structure spirale de notre propre Galaxie, confirmant l'existence de bras spiraux composés de gaz et d'étoiles jeunes, une structure seulement soupçonnée par les observations optiques limitées par la poussière. Walter Baade affine la compréhension des populations stellaires, identifiant la population I (jeunes, riches en métaux, dans le disque et les bras) et la Population II (vieilles, pauvres en métaux, dans le halo et le bulbe), ce qui enrichit encore le modèle galactique. Le centre galactique apparaît comme une source radio très active, nommée Sagittarius A.

Les décennies 1960 et 1970 sont marquées par une exploration multidirectionnelle de la Voie Lactée. La cartographie radio s'améliore considérablement, permettant de tracer les bras spiraux avec plus de précision, d'étudier leur formation et leur dynamique. De nouvelles raies moléculaires sont découvertes en radio (comme le monoxyde de carbone, CO), révélant l'existence de vastes nuages moléculaires géants, les réservoirs de gaz froids où naissent les étoiles. L'astronomie infrarouge se développe, offrant une autre fenêtre sur les régions obscures par la poussière, comme le coeur du bulbe galactique ou les nurseries stellaires cachées. Parallèlement, l'ouverture du ciel aux hautes énergies, grâce aux télescopes spatiaux à rayons X et gamma, révèle une Galaxie plus violente et dynamique. On découvre des sources X compactes (étoiles à neutrons, candidats trous noirs), des restes de supernova, et notamment les pulsars (étoiles à neutrons en rotation rapide) identifiés d'abord comme des sources radio pulsées. Ces observations fournissent des informations précieuses sur l'évolution stellaire et les phénomènes les plus énergétiques de la Galaxie. L'étude du halo galactique, peuplé d'amas globulaires et d'étoiles de Population II, se poursuit, et des signes indirects d'une masse supplémentaire non lumineuse (souvent appelée masse "cachée" ou "sombre") commencent à être suggérés par la dynamique des objets lointains et la vitesse de rotation des bords de la Galaxie qui ne ralentit pas comme prévu par la seule masse visible.

Les années 1980 et 1990 voient l'avènement des télescopes spatiaux observant dans des longueurs d'onde jusque-là inaccessibles depuis le sol, révolutionnant notre vision. Le satellite infrarouge IRAS (lancé en 1983) est un pionnier. Il cartographie la poussière interstellaire et révèle des pouponnières d'étoiles cachées à l'optique. Il fournit une première carte globale de la matière froide et chaude dans le plan galactique. Les missions ultérieures comme ISO affinent ces observations infrarouges. Dans les rayons X, ROSAT (lancé en 1990) étudie le gaz chaud diffus et identifie de nombreuses sources compactes comme les binaires X et les restes de supernovae. Dans les rayons gamma, l'Observatoire Compton Gamma-Ray (lancé en 1991), avec son instrument EGRET, détecte les processus les plus énergétiques associés aux pulsars, aux restes de supernovae et aux interactions des rayons cosmiques avec le gaz interstellaire. Parallèlement, les radiotélescopes au sol continuent d'améliorer les cartes du gaz atomique (HI) et moléculaire (CO), permettant de sonder les bras spiraux et la cinématique du gaz sur de grandes échelles. Ces observations multi-longueurs d'onde commencent à peindre un tableau plus complet de la structure et des processus énergétiques de la galaxie.

L'attention se porte de plus en plus sur le centre galactique, une région d'une densité stellaire et gazeuse extrême. Les observations dans l'infrarouge proche, qui pénètrent mieux la poussière, permettent de sonder cette région. Dès les années 1990 et au début des années 2000, des équipes de recherche, notamment celles dirigées par Reinhard Genzel en Allemagne et Andrea Ghez aux États-Unis, suivent avec une précision croissante les orbites d'étoiles individuelles très proches de la radiosource compacte Sgr A*. Les mouvements extrêmement rapides de ces étoiles, en particulier l'étoile S2, fournissent une preuve cinématique irréfutable de l'existence d'un objet supermassif concentrant une masse de plusieurs millions de fois celle du Soleil dans un volume extrêmement réduit. C'est la confirmation de la présence du trou noir supermassif au coeur de notre galaxie. Les télescopes spatiaux comme Chandra et XMM-Newton (lancés autour de l'an 2000) et Spitzer (lancé en 2003) fournissent des images et des spectres détaillés du centre galactique dans les rayons X et l'infrarouge, révélant les populations stellaires, les nuages de gaz chaud, et l'activité intermittente du trou noir central.

Au cours des années 2000, de grands relevés astronomiques, souvent menés depuis le sol mais couvrant de vastes portions du ciel dans l'optique et le proche infrarouge (comme 2MASS, SDSS), fournissent des catalogues de millions d'étoiles avec leurs positions, couleurs et parfois leurs vitesses. Ces données permettent d'étudier la distribution des différentes populations stellaires, de mieux cartographier la structure du disque, du bulbe et du halo, et de commencer à déchiffrer l'histoire de la formation galactique. L'idée de l'archéologie galactique, utilisant les propriétés des étoiles (cinématique, composition chimique, âge) comme des fossiles pour reconstituer le passé dynamique de la galaxie, prend son essor. On découvre et étudie des courants stellaires dans le halo, vestiges de galaxies naines ou d'amas globulaires qui ont été détruits et accrétés par la Voie Lactée au fil du temps. Le courant du Sagittaire, découvert dans les années 1990, est le premier exemple majeur étudié en détail.

Le tournant majeur de la dernière décennie vient du satellite de l'Agence spatiale européenne, Gaia, lancé en 2013. Sa mission est de mesurer avec une précision inégalée la position, la parallaxe (distance) et le mouvement propre (mouvement dans le plan du ciel) de près de deux milliards d'étoiles de la Voie Lactée. Les livraisons successives de données de Gaia, à partir de 2016, transforment radicalement l'astronomie galactique. Pour la première fois, on dispose d'une carte 3D dynamique d'une portion significative de la galaxie, couvrant non seulement le voisinage solaire mais aussi une grande partie du disque et du halo.

Gaia permet de mesurer avec précision la structure spiralée et la barre centrale vues de l'intérieur, de cartographier les courants stellaires et les sous-structures du halo avec un détail sans précédent. Les données cinématiques de Gaia révèlent des oscillations et des déformations du disque causées par des interactions passées, comme la fusion avec une galaxie naine nommée Gaia-Encelade (ou Gaïa Saucisse) qui aurait eu lieu il y a plusieurs milliards d'années et aurait largement contribué à la formation du halo stellaire et du disque épais. L'analyse combinée des données de Gaia avec des relevés spectroscopiques au sol mesurant les vitesses radiales et les abondances chimiques permet de réaliser une archéologie galactique à grande échelle, identifiant différentes populations stellaires nées à différentes époques et dans différentes conditions, et traçant leurs mouvements à travers la galaxie.

L'étude de la Voie Lactée est désormais une science multi-messagers et multi-disciplinaire. Les données astrométriques et photométriques de Gaia sont complétées par les observations d'autres télescopes de pointe comme ALMA (pour les observations du gaz et de la poussière froids à haute résolution), le télescope spatial James Webb (pour sonder les régions de formation stellaire et le centre galactique dans l'infrarouge avec une sensibilité et une résolution spatiales inégalées), les observations de rayons X et gamma pour les phénomènes les plus énergétiques, et les études de neutrinos et de rayons cosmiques. Les simulations numériques de formation et d'évolution galactiques, nourries par ces données d'observation de plus en plus riches, jouent un rôle important pour interpréter les structures observées et comprendre les processus physiques à l'oeuvre.